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蒸汽轮机动力装置，对于先进战舰来说似乎已经是“落后”的代名词，因为蒸汽轮机动力装置相比于燃气轮机、柴油机动力装置，有体积重量大、热效率低下、加减速能力差等缺点。不过，蒸汽轮机动力装置也有它自己的优势，比如单机功率大、润滑油消耗量小、运行平稳噪声和振动小、可以反转倒车等。 单机功率大，因此蒸汽轮机动力装置适用于大型军舰，如巡洋舰、航母等。比如自行设计建造的第一种航空母舰，采用核动力风险较大，就必然要采用常规燃油锅炉的蒸汽轮机动力装置。 另一方面，常规的蒸汽轮机技术门槛较低，我国目前已经完全掌握了大中型战舰用的常规蒸汽轮机动力装置的设计、制造、使用和保养，因此在大型战舰如航母、驱逐舰上用蒸汽轮机动力装置，是完全符合实际需求的选择。 下面我对舰用常规蒸汽轮机动力装置做一个简要的介绍。 舰船蒸汽轮机动力系统可以分成4个主要功能部件：蒸汽涡轮、锅炉、凝汽器、减速箱。 1.蒸汽涡轮 蒸汽涡轮是让蒸汽膨胀做功，将蒸汽所蕴含的热能转化成涡轮轴旋转机械能的部件。 蒸汽涡轮分成转子和定子两部分，转子外环和定子内环分别有一圈一圈的叶片。定子上的叶片环称作静叶栅，或者叫喷嘴环，转子上的叶片环称作动叶栅。转子/定子上的每二列叶栅被定子/转子上的一列叶栅分隔，交替排列。蒸汽就在转子和定子之间的空间内高速流过每一列叶栅。 因为蒸汽在上述二者组成的流道内高速流过，因此可以认为蒸汽与外界没有热交换，当蒸汽从涡轮的高压端向低压端流动过程中，将发生绝热膨胀。 高压气体在绝热膨胀过程中，压力下降的同时，温度也会相应下降。温度下降导致气体蕴含的内能即热能减少。但因为能量守恒，这部分能量将转化成其他形式的能量，在这里就将转化成气体的动能，也就是导致气体的流动速度增加。气体绝热膨胀过程中压力下降与温度下降是呈特定物理规律的，其变化规律是T2=T1*π^（k-1/k） 这里T1和T2分别是绝热膨胀前后气体的开氏度温度，π为膨胀比，也就是膨胀前后气体的压力比，K等于气体的定压比热Cp除以其定容比热Cv，也就是比热比。 定压比热就是在保持压力不变的条件下，温度每升高一度，单位气体需要吸收的热量；定容比热就是在保持体积不变的条件下，温度每升高一度，单位气体需要吸收的热量。 蒸汽在流过静叶栅中发生绝热膨胀后，温度降低，速度升高，随后冲击动叶栅并将动能传递给后者，推动后者旋转，从而输出功率。舰船蒸汽轮机就是利用这个轴功率驱动螺旋桨，从而推动舰船向前航行的。 在动叶栅中，蒸汽可能仅仅是流动方向发生变化，也可能继续进行绝热膨胀过程；前者称作冲动式汽轮机，后者称作反动式汽轮机。 以冲动式汽轮机为例，理想情况下单位质量的蒸汽的内能中将会有（T2-T1）*Cp变成动能，进而在动叶栅中转化成输出机械能。显而易见，在相同的膨胀比下，蒸汽的初始温度越高，输出的能量就越多，蒸汽轮机的热效率也就越高。同样，在蒸汽初温一定的条件下，膨胀比越大，单位质量蒸汽输出的也越多。 但是蒸汽的温度和压力并不能无限制地提高，温度主要受限于锅炉和汽轮机高温部位材料的限制。在高温下，金属的强度会明显降低，发生蠕变变形从而使涡轮失效。因此在材料确定的前提下，绝不能允许蒸汽的温度超过材料能够承受的极限。 当蒸汽初温确定后，蒸汽的初压也受到了限制。这是因为在绝热膨胀中，膨胀比过大，必然使膨胀终了时蒸汽的温度更低。当低于膨胀终了压力下水蒸汽的沸点时，就会析出液态的水滴，液态的水滴则会撞击汽轮机叶片，导致叶片受损，这会严重降低涡轮的寿命。 很明显，当蒸汽初温确定后，有一个适宜采用的蒸汽初压的区间；蒸汽初温越高，适宜的初压也越高。比如二战德国俾斯麦级战列舰的蒸汽初温是475℃，初压是58大气压（注：工程上蒸汽压强单位一般取Mpa，就是百万帕斯卡。这里为方便理解，使用大气压这个单位。1大气压约等于0.1013Mpa）；同时期美国战列舰蒸汽初温是450℃，初压是40大气压；而同时期大和级战列舰蒸汽初温是325℃，初压是25大气压。 船用汽轮机的工作环境和使用条件与电站汽轮机不同。它安装在易变形的船体基座上，还经常受到船体摇摆、冲击的影响。它的正常运转直接关系到全船的安全，因而对可靠性要求更高。它的体积、重量也受到船体的严格限制。船舶在进出港口或执行任务时需要经常变速或倒航，因此对汽轮机的机动性也有特殊的要求。 船用汽轮机除功率小于1万马力的有时用单轴（通常称为单缸）外，一般都是双轴或三轴分轴布置。这是由于涡轮前后段蒸汽比容变化很大，高低压涡轮叶片高度相差很大。单轴布置时要避免低压级叶片轮周速度过大、离心应力过大，转速不能太高，这就使得高压级叶片轮周速度比较低，轮轴功小，必须增多级数，这将使蒸汽涡轮的体积和重量增加。如果加大高压部分轴心直径，虽然能稍为增大单级轮轴功，在一定程度上减少级数，但是由于此时叶片高度过小，相对内损失增加，难以得到高的内效率。 分缸设计时可将高压轴和低压轴设计成不同的转速，高压轴采用较高转速（5000～10000转／分），以缩小转子直径；增加前几级的叶片高度，以提高效率；低压轴采用较低转速（3000～5000转／分），以降低末几级叶片和轮盘的应力。 采用分缸方式还有一个好处就是当汽轮机发生局部损坏时可用单缸运行，提高了船的可靠性。 为了得到尽量高的热效率，在地面电站蒸汽轮机中要让蒸汽尽量充分膨胀，降低排汽背压。但在舰用蒸汽轮机中则采用较高的排汽背压，以便减少涡轮级数，从而降低装置重量。 电站汽轮机还采用再热、抽汽回热两种方式组成复杂热力循环，以提高热效率。 简单的说，再热就是让蒸汽在高压涡轮中膨胀做功（温度降低）后，回到锅炉再被加热到新蒸汽温度或者更高一点的温度，然后进入中、低压涡轮继续膨胀做功。再热实际上是提高了工质——水的平均吸热温度，从而可以提高卡诺效率。 抽汽回热则是在涡轮某些级处分别抽出一部分蒸汽，注入到对应压力等级处的给水管路中去加热给水。实际上抽汽回热是回收了一部分水蒸汽的汽化热节省了燃料。 这样做显然减少了同样数量的蒸汽所能做的功，但是由于给水温度得以升高，节省了燃料消耗，而且节省的燃料热量远远大于这部分蒸汽因回注而少做的功。所以汽轮机的热效率能够得到提高。 地面电站蒸汽轮机通常采用一次再热，以及6级以上的抽汽回热。但是军舰蒸汽轮机不采用再热，这是因为再热蒸汽压力低，比体积大，所以再热需要大幅度增大锅炉以及相应蒸汽管道的体积和重量。 舰用蒸汽轮机也很少采用抽汽回热，最多只采用一级抽汽，而且其主要目的也不是为了回热，而是用于给水除氧。不采用抽汽回热则是因为在负荷较低的情况下，抽汽回热器难以正常工作。 另外，为了保证比较高的可靠性和可维护性，军舰蒸汽轮机采用的蒸汽参数都比电站蒸汽轮机低一些。 综合上述各种因素，先进的电站蒸汽轮机有效热效率可以达到40～45%，而军舰蒸汽轮机的有效热效率通常只有14～20%。 军舰时常需要进行快速加减速、倒车等机动动作。因此舰用蒸汽轮机为了提高机动性，大多采用整锻式或焊接式转子，以降低变工况时由于温度变化速度快而出现问题。另外通常在低压涡轮后面设置2～3级倒车级。倒车级叶片扭转方向与正车级相反，当需要倒车时，蒸汽将不进入高、低压涡轮级，而直接进入倒车级，驱动主轴反转。 因倒车时间较短，对效率的要求不高，所以尽量减少级数，以使整机结构紧凑，倒车级通常采用有缩放喷嘴的多列速度级，这种涡轮级的单级焓降较大，但内效率较低（普通的涡轮级内效率大约在88～90%，而双列、多列速度级内效率通常只有70～80%）。 即使在倒车时供应全部额定产量的蒸汽，倒车功率通常也只有正车功率的40～50％。这是因为倒车级总焓降较小（虽然单级焓降较大，但毕竟级数太少），同时级的内效率也较低。 在正车级与倒车级之间装有挡板，以防倒航时高温排汽被大量吸入正车级，引起过热和消耗功率。 军舰在全速时要求汽轮机发出尽可能大的功率，以得到足够高的最高航速。二战期间各国新式战列舰的最高航速都达到28～30节甚至更高。但实际上，军舰在大部分使用时间内都是以12～20节的“巡航速度”航行的，此时需要的功率只有全功率的10～40%，故要求汽轮机在巡航负荷时有较高的效率，以增加续航力。 普通蒸汽轮机调节功率的方法是减少进入涡轮的蒸汽流量，对于需要经常调节输出功率的蒸汽轮机，通常采用“喷管配汽”的方法，就是将涡轮进口调节级分成数组喷管单独控制，根据要求的输出功率，调整某些喷管开启，另一些喷管关闭，以此将涡轮进口蒸汽流量调整到需要的数值。但使用这种方法，随着功率的降低、蒸汽流量的下降，膨胀度增加。当功率降低到30～40%额定功率以下时，低压涡轮处的蒸汽湿度过大，出现水滴引起水蚀，影响涡轮寿命。所以必须采用特别措施才能实现10～40%工况这样低的输出功率。所以舰用汽轮机组除个别小功率机组外，几乎无例外地都设有低速级组(低速汽轮机)。根据低速级组的配置方式，可分为内旁通、外旁通、巡航汽轮机和高低压涡轮串——并联进汽等四种基本类型。 内旁通法通常是单轴蒸汽轮机使用的方法，在巡航功率时，蒸汽通过所有涡轮级，流量则与高压涡轮进口面积匹配；而在需要全功率运行时，蒸汽通过旁通阀的控制直接从低压涡轮级进入，短路高压涡轮级。因为低压涡轮的进口面积远远大于高压涡轮进口面积，所以允许通过更大的流量，从而得到更大的功率。当然，因为在高功率时涡轮级数减少了，所以排汽背压就升高了。这虽然会降低热效率，但却符合前述减少涡轮级数，尤其是低压级级数，从而降低装置重量的做法。 外旁通其实就是分轴式汽轮机采用旁通法控制，高压涡轮和低压涡轮在结构上分开。 巡航汽轮机的配置是外旁通配置的扩展。它实质上是将外旁通的低速级组装在一个专门的汽缸中，并在巡航功率时直接（通过减速器）驱动螺旋桨。 巡航汽轮机又分成巡航汽轮机直接连接；巡航汽轮机直接连接，全速时通凝汽器；巡航汽轮机以减速器连接；巡航汽轮机以减速器连接，全速时通凝汽器，以及巡航汽轮机以减速器和离合器连接等五种形式。 高低压涡轮串——并联进汽方式是外旁通或直接连接巡航汽轮机的扩展。 低负荷时，蒸汽先流过高压涡轮，再进入低压涡轮，如下图a所示，按串联进汽方式工作，此时汽轮机级数多，有助于提高热效率。高负荷时，蒸汽同时进入高压涡轮和低压涡轮，如下图b所示，按并联进汽方式工作，此时因为涡轮进口面积是高低压涡轮进口面积的和，此时允许通过的蒸汽流量大，输出功率大。 串-并联汽轮机在0.2以上工况，汽耗曲线比较平缓，比巡航汽轮机直接连接型汽轮机优越。除此之外，串-并联汽轮机还较内旁通、外旁通和巡航汽轮机方式优越之处是消除了高速时的空转，既避免了高速时的空转损失，又使结构布置紧凑。还有，串-并联汽轮机由于在全工况和低工况下都有蒸汽通过，且进汽端都位于低速级和全速级的中部，始终接触高温蒸汽，温度场变化小，因此机动性也较高。 
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